未來(lái)，中國(guó)以及全球的軌道交通的電氣系統(tǒng)將呈現(xiàn)高頻化、小型化、輕量化、集成化、大功率化、高功率密度化的典型趨勢(shì)，憑借著器件本身和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)勢(shì)，SiC功率器件在軌道交通中的應(yīng)用前景光明且廣闊。

當(dāng)前，全球主要國(guó)家和地區(qū)都已經(jīng)宣布了“碳達(dá)峰”的時(shí)間表。在中國(guó)，這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)是2030年之前。在具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，軌道交通將是一個(gè)重要領(lǐng)域。由于用能方式近乎100%為電能，且?guī)?dòng)大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，因此軌道交通的“碳達(dá)峰”雖然和工業(yè)的“碳達(dá)峰”路徑有差異，但總體實(shí)現(xiàn)時(shí)間將較為接近。

當(dāng)然，“碳達(dá)峰”在每一個(gè)領(lǐng)域都有狹義和廣義的區(qū)分。比如在工業(yè)領(lǐng)域，一方面是重點(diǎn)企業(yè)自身通過(guò)節(jié)能+綠電的方式實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”；另一方面也需要圍繞重點(diǎn)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈上下游全面實(shí)現(xiàn)能耗降低。對(duì)于軌道交通也是如此，狹義層面是指軌交工具的“碳達(dá)峰”，廣義層面則是指所有配送電設(shè)施和其他基礎(chǔ)建設(shè)以及上下游產(chǎn)業(yè)鏈均需要實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”。

軌道交通：SiC 器件特性優(yōu)異，已在城軌系統(tǒng)中得到應(yīng)用

在軌道交通領(lǐng)域，牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)等環(huán)節(jié)均可用到SiC功率器件。由于大型軌道交通工具對(duì)載貨載客等乘運(yùn)能力需求較高，對(duì)牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。比如在軌道交通的電力牽引系統(tǒng)中，牽引變流器是其中的核心器件，相較于機(jī)車大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)往使用IGBT， SiC 器件具備禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、電子飽和遷移速率高和擊穿電場(chǎng)高、能量損耗更低、耐高溫的特性，并且 SiC 器件能有效減輕軌道交通的載重，推進(jìn)更輕更快更高效的軌道交通系統(tǒng)建設(shè)，采用SiC功率器件替代后，整體方案得到顯著改善。并且，SiC功率器件可以在更高的頻率下切換，系統(tǒng)中的變壓器、電容、電感等無(wú)源器件的數(shù)量和體積明顯減小，改善了整體方案的體積和重量，提升軌交機(jī)車的能效水平。常用于牽引變流器中SiC 功率器件正逐漸滲透過(guò)往以硅基器件為主的軌道交通市場(chǎng)。

根據(jù)蘇州軌道交通官方的測(cè)試數(shù)據(jù)，蘇州軌交3號(hào)線0312號(hào)列車作為國(guó)內(nèi)首個(gè)基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目，相較于過(guò)往使用IGBT逆變器、三相交流異步電機(jī)、車控牽引系統(tǒng)，新一代牽引系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)牽引節(jié)能20%，系統(tǒng)最大質(zhì)量減小19%，對(duì)我國(guó)軌道交通的“碳達(dá)峰”進(jìn)程，有巨大的借鑒和推動(dòng)作用。

常見的軌道交通場(chǎng)景包括傳統(tǒng)鐵路、城際軌道以及城市軌道三大類別。根據(jù)世界鐵路聯(lián)盟 UIC 統(tǒng)計(jì)，截至 2021 年 6 月中國(guó)在運(yùn)營(yíng)的高速鐵路里程數(shù)達(dá)到3.8 萬(wàn)公里，約占全球總數(shù)的 68%。全球在建設(shè)或者規(guī)劃中的高速鐵路里程 7.4 萬(wàn)公里，中國(guó)建設(shè)及規(guī)劃里程為 2.6 萬(wàn)公里，約占 36%。截至 2020 年，我國(guó)機(jī)車保有量為2.2 萬(wàn)輛，我國(guó)鐵路動(dòng)車組保有量共 3918 組，同比增長(zhǎng) 6.9%。不斷增長(zhǎng)的軌道里程以及存量交通工具器件替代預(yù)期是 SiC 切入軌道交通的主要契機(jī)。

目前 SiC 器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中得以應(yīng)用，在海外，日本在2021 年下半年推出搭載 SiC 車載設(shè)備的 E131 Series 500 系列列車；德國(guó)搭載SiC 牽引逆變器的Avenio有軌電車正式投入適用。在國(guó)內(nèi)，2021 年中車株洲所與深圳地鐵集團(tuán)聯(lián)合自主研發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)地鐵列車全 SiC 牽引逆變器；同年，時(shí)代電氣公告稱基于3300V 全SiC 器件的牽引變流器在深圳 1 號(hào)線載客運(yùn)營(yíng)，牽引能耗降低 10%。未來(lái)隨著SiC 器件容量的提升，SiC 模塊將在軌道交通領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

當(dāng)然，為了響應(yīng)軌道交通，以及新能源汽車、儲(chǔ)能、光伏、電網(wǎng)等下游領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，SiC功率器件也會(huì)持續(xù)得到優(yōu)化。未來(lái)，SiC功率器件的發(fā)展趨勢(shì)將分為兩個(gè)層面。在器件本身，SiC功率器件將繼續(xù)強(qiáng)化在高頻、高耐壓和高集成等方面的優(yōu)勢(shì)，提升器件在各行業(yè)中的滲透率；在產(chǎn)業(yè)層面，由于SiC器件的制造成本中，SiC襯底成本占比50%，因而提高襯底生產(chǎn)速率及良率將是后續(xù)產(chǎn)業(yè)的重中之重。隨著SiC功率器件的性能逐漸優(yōu)化，產(chǎn)能繼續(xù)爬坡，軌道交通、新能源汽車、儲(chǔ)能等下游領(lǐng)域?qū)V泛受益，為各產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”提速。